基于gpu并行計(jì)算小波變換的光學(xué)條紋圖相位提取方法
【專利摘要】一種用于結(jié)構(gòu)光投影的三維面形測(cè)量的基于GPU并行計(jì)算小波變換的光學(xué)條紋圖相位提取方法。所述方法使用以CPU作為主機(jī)端、GPU作為設(shè)備端的計(jì)算平臺(tái)，主要包括以下計(jì)算步驟：CPU主機(jī)端接收光學(xué)條紋圖像，根據(jù)圖形尺寸生成所需小波變換的小波矩陣，并傳輸至GPU設(shè)備端；GPU設(shè)備端接收?qǐng)D形和小波矩陣，計(jì)算小波變換系數(shù)矩陣，并傳回CPU主機(jī)端；CPU主機(jī)端接收小波變換矩陣，求解小波脊的包裹相位，解包裹后獲取光學(xué)條紋圖的連續(xù)相位。本方法在提高了數(shù)據(jù)處理速度的同時(shí)，保持了小波變換光學(xué)條紋圖相位提取方法的精度。
【專利說(shuō)明】基于GPU并行計(jì)算小波變換的光學(xué)條紋圖相位提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)光投影三維面形測(cè)量，光學(xué)圖像處理方法，尤其涉及一種用于結(jié)構(gòu)光投影的三維面形測(cè)量的基于GPU(圖形處理單元)并行計(jì)算小波變換的光學(xué)條紋圖像相位提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在面結(jié)構(gòu)光投影三維面形測(cè)量技術(shù)中，CCD記錄結(jié)構(gòu)光被待測(cè)物體三維面形調(diào)制后的光學(xué)條紋圖，對(duì)光學(xué)條紋圖進(jìn)行高精度相位提取，是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維面形測(cè)量的關(guān)鍵。光學(xué)條紋圖的相位提取方法包括:常用的相移法(在先技術(shù)1:Shaoyan Gai, FeipengDa.A novel phase shifting method based on strip marker[J].0pt.&Laser inEngng.2010.48(2):205-211)和傅立葉變換法(在先技術(shù)2:盧世江，李勇，王輝等，含孤立物體場(chǎng)景的高速、高密度三維面形采集[J].光電工程，2012，39 (I):34-39)已經(jīng)在動(dòng)態(tài)物體的實(shí)時(shí)測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。小波變換光學(xué)條紋圖相位提取方法(在先技術(shù)3:李思坤，蘇顯渝，陳文靜.一種新的小波變換空間載頻條紋相位重建方法[J].中國(guó)激光，2010, 37(12):3060-3065)相對(duì)相移法而言，只需要一幅變形光學(xué)條紋圖就能得到物體三維面形信息，且不需要精確的相移以及CCD同步，速度更快；相對(duì)傅立葉變換法而言，小波變換具備局部化、多分辨率分析能力和更強(qiáng)的噪聲抑制能力。但是小波變換的計(jì)算涉及多個(gè)尺度因子下的行列循環(huán)和卷積運(yùn)算，數(shù)據(jù)處理過(guò)程依循行列、多尺度的順序逐次循環(huán)計(jì)算。多次循環(huán)計(jì)算過(guò)程中，每一列像素點(diǎn)相位的計(jì)算相互之間獨(dú)立，各個(gè)尺度之間的計(jì)算也各不相關(guān)，體現(xiàn)出了很高的計(jì)算密度。計(jì)算速度無(wú)法滿足實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)測(cè)量的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種用于結(jié)構(gòu)光投影的三維面形測(cè)量的基于GPU并行計(jì)算小波變換的光學(xué)條紋圖相位提取方法，該方法保持了原有小波變換光學(xué)條紋圖相位提取方法的精度的同時(shí)，提高了數(shù)據(jù)處理速度。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0005]一種用于結(jié)構(gòu)光投影的三維面形測(cè)量的基于GPU并行計(jì)算小波變換的光學(xué)條紋圖相位提取方法，特征在于該方法使用CPU作為主機(jī)端和GPU作為設(shè)備端的計(jì)算平臺(tái)對(duì)CCD獲取光學(xué)條紋圖進(jìn)行處理，包括以下步驟:
[0006]I)在待測(cè)物體表面的斜上方設(shè)置投影儀，在待測(cè)物體表面的斜上方的同一水平面設(shè)置所述的投影儀和CXD相機(jī)，所述的CXD相機(jī)與CPU的輸入端相連，該CPU與GPU相連，所述的CCD相機(jī)與待測(cè)物體所在的參考平面的距離為U，所述的投影系統(tǒng)與所述的CCD相機(jī)之間的距離為d，投影儀投影正弦結(jié)構(gòu)條紋到被測(cè)物體表面，CCD獲取光學(xué)條紋圖，CPU讀ACCD獲取的光學(xué)條紋圖，并根據(jù)光學(xué)條紋圖分辨率以及小波變換中用到的尺度因子大小和數(shù)目n，生成各個(gè)尺度對(duì)應(yīng)的小波矩陣，并將η個(gè)小波矩陣與圖像傳輸至設(shè)備端GPU的內(nèi)存；[0007]2)所述的設(shè)備端GPU根據(jù)小波變換輪廓術(shù)逐個(gè)計(jì)算每個(gè)尺度因子下光學(xué)條紋圖的小波變換系數(shù)矩陣，并將所有小波變換系數(shù)矩陣傳回主機(jī)端CPU，計(jì)算過(guò)程如下:
[0008]光學(xué)條紋圖中的結(jié)構(gòu)光方向?yàn)閳D形的行方向，設(shè)為X方向，列方向設(shè)為I方向光學(xué)條紋圖第I行的強(qiáng)度信息如公式(I)所示:
[0009]I’(x)y = Ily+I2ycos(2 η fx+Δ φ (x) y)(I)
[0010]其中，Ily為背景光強(qiáng)度，I2y為條紋的調(diào)制度，f為投影條紋的基頻，Λ φ (x)y為由待測(cè)物體高度信息引起的調(diào)制相位；
[0011 ] 采用Morlet復(fù)小波對(duì)第y行強(qiáng)度信息進(jìn)行連續(xù)小波變換:
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種用于結(jié)構(gòu)光投影的三維面形測(cè)量的基于GPU并行計(jì)算小波變換的光學(xué)條紋圖相位提取方法，特征在于該方法使用CPU作為主機(jī)端和GPU作為設(shè)備端的計(jì)算平臺(tái)對(duì)CCD獲取光學(xué)條紋圖進(jìn)行處理，包括以下步驟: 1)在待測(cè)物體表面的斜上方設(shè)置投影儀，在待測(cè)物體表面的斜上方的同一水平面設(shè)置所述的投影儀和CXD相機(jī)，所述的CXD相機(jī)與CPU的輸入端相連，該CPU與GPU相連，所述的CCD相機(jī)與待測(cè)物體所在的參考平面的距離為U，所述的投影系統(tǒng)與所述的CCD相機(jī)之間的距離為d，投影儀投影正弦結(jié)構(gòu)條紋到被測(cè)物體表面，CCD獲取光學(xué)條紋圖，CPU讀入CCD獲取的光學(xué)條紋圖，并根據(jù)光學(xué)條紋圖分辨率以及小波變換中用到的尺度因子大小和數(shù)目η,生成各個(gè)尺度對(duì)應(yīng)的小波矩陣，并將η個(gè)小波矩陣與圖像傳輸至設(shè)備端GPU的內(nèi)存； 2)所述的設(shè)備端GPU根據(jù)小波變換輪廓術(shù)逐個(gè)計(jì)算每個(gè)尺度因子下光學(xué)條紋圖的小波變換系數(shù)矩陣，并將所有小波變換系數(shù)矩陣傳回主機(jī)端CPU，計(jì)算過(guò)程如下: 光學(xué)條紋圖中的結(jié)構(gòu)光方向?yàn)閳D形的行方向，設(shè)為X方向，列方向設(shè)為y方向光學(xué)條紋圖第I行的強(qiáng)度信息如公式(I)所示:
I’(X) y = Ily+I2ycos (2 fx+ Δ φ (X) y)(I) 其中，Ily為背景光強(qiáng)度，I2y為條紋的調(diào)制度，f為投影條紋的基頻，Δ φ (X)y為由待測(cè)物體高度信息引起的調(diào)制相位； 采用Morlet復(fù)小波對(duì)第y行強(qiáng)度信息進(jìn)行連續(xù)小波變換:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GPU并行計(jì)算小波變換的光學(xué)條紋圖相位提取方法，其特征在于，所述的生成小波矩陣如下: (1)尺度因子a對(duì)小波母函數(shù)進(jìn)行了伸縮變換，小波函數(shù)長(zhǎng)度隨著尺度因子的取值不同而產(chǎn)生變化，若尺度因子為a時(shí)的小波函數(shù)長(zhǎng)度為L(zhǎng)a，光學(xué)條紋圖的尺寸為MpixelXNpixel，其中M為y方向的光學(xué)條紋圖尺寸，N為χ方向光學(xué)條紋圖尺寸，小波函數(shù)先在結(jié)構(gòu)方向通過(guò)左右對(duì)稱地賦O值擴(kuò)展為長(zhǎng)度為L(zhǎng)a+N_l數(shù)組，然后在I方向復(fù)制成大小為MX (La+N-1)的小波矩陣； (2)根據(jù)公式(2)小波系數(shù)的求解過(guò)程，包含了兩次傅里葉變換加一次逆傅里葉變換運(yùn)算，其中對(duì)于小波矩陣的傅里葉變換過(guò)程與測(cè)得的光學(xué)條紋圖強(qiáng)度數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)，在讀取光學(xué)條紋圖前在主機(jī)端CPU執(zhí)行，將小波矩陣做傅里葉變換之后的作為輸入傳至設(shè)備端GPU，以減少設(shè)備端GPU運(yùn)算量，減少解調(diào)過(guò)程中的運(yùn)算時(shí)間。
【文檔編號(hào)】G01B11/25GK103983212SQ201410229216
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】余程, 李思坤, 王向朝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所